CN102496634A

CN102496634A - 一种晶硅太阳能电池三层减反射膜及其制备工艺

Info

Publication number: CN102496634A
Application number: CN2011104481613A
Authority: CN
Inventors: 杨云霞; 凌婧; 袁双龙; 陈国荣
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2012-06-13

Abstract

为了提高晶硅太阳电池的光电转换效率，必须制备减反射膜。本发明提供了一种使用纳米TiO₂和SiO₂水溶胶制备三层减反射膜的技术，该三层减反射膜由TiO₂/TiO₂-SiO₂/SiO₂构成，分别使用酸性纳米TiO₂水溶胶、碱性纳米TiO₂-SiO₂混合水溶胶及碱性纳米SiO₂水溶胶涂覆于晶硅太阳能电池片上，涂覆厚度分别为60～130nm、70～150nm和80～170nm。

Description

一种晶硅太阳能电池三层减反射膜及其制备工艺

技术领域：

本发明涉及太阳能电池减反射膜，特别是晶硅太阳能电池三层减反射膜及其制备工艺。

背景技术：

随着人类社会的高速发展，环境恶化与能源短缺已成为全世界最为突出的问题。目前，全球总能耗的70％以上都来自石油、天然气、煤等不可再生的能源。长期大量利用这些不可再生的能源会造成许多的危害。太阳能是一种非常理想的清洁、可再生的新能源，可以缓解能源短缺和环境污染。太阳能电池是将太阳辐射能直接转换为电能的一种器件。目前晶硅太阳能电池在世界太阳能电池产量中占80％左右，晶硅太阳能电池发电就是利用太阳能电池吸收0.4um～1.1um波长的太阳光，将光能直接转变成电能输出的一种发电方式。如何提高晶硅太阳能电池的转换效率，其中一个最主要的措施就是在硅片上镀减反射膜，由于光在硅片表面的反射使光损失高达30％以上，如果在硅表面镀上合适的薄膜，利用薄膜干涉原理就可以使光的反射大为减少，从而提高太阳能电池的短路光电流密度和光电转换效率。由此可见，在硅片表面加镀一层减反射膜显得非常重要。

传统的减反射膜的制备方法有化学气相沉积法，溅射镀膜法，真空蒸发镀膜法等等。目前，行业内的产业化生产工艺都是采用PECVD等离子体化学气相沉积的方法，将硅片置于等离子体场中然后直接在硅片表面沉积一层Si_xN_y薄膜。例如专利200710063644.5公开的是一种提高单晶硅太阳能电池减反射膜质量的方法，其中减反射膜即采用PECVD沉积工艺镀氮化硅而形成，虽然能够得到较好均匀性、附着性和光学特性的减反射膜，但工艺比较复杂，耗电量大，制备的成本比较高，并且单层氮化硅减反射膜硅太阳能电池的反射率还不是很低。因此我们需要探寻一种工艺条件简单，设备低廉，制备过程中可控性比较强，制备成本比较低的方法。为此，近来很多学者都在研究用溶胶-凝胶法来制减反射膜，如专利201110173943.0制备三层减反射膜，其主要采用热氧化法制备第一层SiO₂，溶胶-凝胶法分别制备第二层SiO₂-TiO₂和第三层TiO₂。SiO₂作为减反射膜具有优越的表面钝化性能和高的化学稳定性，同样TiO₂是一种重要的半导体材料，它不仅价格便宜而且是一种安全，稳定，无毒，无污染的绿色环保材料，不仅如此TiO₂还具有良好的透明度、折射率和很好的机械性能。最重要的一点是SiO₂和TiO₂的折射率都可以在一定的PH值范围内连续可调。但包括其在内的很多研究报道都是用醇做溶剂，而众所周知醇易挥发、易燃，存在着安全隐患，不利于大规模的工业生产。

发明内容：

本发明的目的是为了克服现有晶硅太阳电池减反膜的不足，提供一种采用纳米SiO₂和TiO₂水溶胶来制备TiO₂/SiO₂-TiO₂/SiO₂三层减反射膜的方法。其技术关键在于采用了稳定的纳米TiO₂和SiO₂的水溶胶为涂覆溶胶，可以采用旋转涂覆和提拉法涂覆工艺将水溶胶涂覆于晶硅片上形成减反射膜。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：首先将纳米TiO₂水溶胶涂覆于洗净的晶硅片上一定厚度后，再将纳米TiO₂/SiO₂的混合水溶胶涂覆于纳米TiO₂薄膜上，再将纳米SiO₂水溶胶涂覆于上一层，从而形成三层减反膜。

所述的纳米TiO₂水溶胶pH值范围为2～5，呈弱酸性，当pH＞5时，水溶胶对硅片的浸润性差，不能获得均匀薄膜，当pH＜1时，腐蚀性强。其TiO₂的固含量的范围为0.5～5％，最佳范围为1-3％，固含量太高，水溶胶稳定性差，太低，则涂覆次数增加使得涂覆效率降低。纳米TiO₂的颗粒尺寸为5～50nm，颗粒尺寸太大，透光率低且成均匀膜困难，太低则折射率低，不利于减反射。

所述的纳米TiO₂/SiO₂的混合水溶胶是由碱性纳米TiO₂和SiO₂水溶胶水溶胶按TiO₂∶SiO₂重量比为0.3～3∶1的比例混合而成混合而成，其中碱性纳米TiO₂水溶胶的固含量范围为0.5～5％，纳米TiO₂的颗粒尺寸为5～20nm，水溶胶的pH值范围为7～10。而碱性纳米SiO₂水溶胶，其SiO₂的固含量的范围为0.5～5％，纳米SiO₂的颗粒尺寸为5～30nm，水溶胶的pH值范围为8～10。pH值高于10，则会腐蚀硅片，而太低则水溶胶不稳定。

所述的第三层纳米SiO₂水溶胶与上述混合用的水溶胶相同。

所述的制备的TiO₂/SiO₂-TiO₂/SiO₂三层减反膜，其三层的厚度分别为60～130nm、70～150nm和80～170nm，超出这个范围，减反射性能显著下降。

本发明提出的三层减反射膜及其制备方法的优点是安全无毒、易于工业化，不仅避免了目前行业中PECVD的复杂工艺和高成本制备，而且以水为介质，改进了传统的以醇为溶剂的溶胶-凝胶法，使得大规模生产成为可能。该水溶胶制得的减反射膜不仅能与硅片具有很好的附着力，而且能够很明显的降低硅片的反射率。综上所述，本发明中制备水性的SiO₂/SiO₂-TiO₂/TiO₂三层减反射膜的方法对降低太阳能电池的成本起着重要作用。

附图说明：

图1为实施例1与空白硅片的反射光谱图。

图2为实施例2与空白硅片的反射光谱图。

图3为实施例3与空白硅片的反射光谱图。

具体实施方式：

实施例1

取多晶硅片，采用pH＝4、固含量为3％的酸性TiO₂水溶胶，使用旋转涂覆法涂覆3次，再用旋转涂覆法涂覆固含量为3％、pH＝8的纳米TiO₂/SiO₂(质量比：1∶1)混合水溶胶层4次和固含量为3％的碱性SiO₂层4次。旋涂速度均为6000rpm，匀胶时间：60s。所得涂覆三层减反膜的硅片的平均反射率为4.4％，如附图1。

实施例2

取单晶硅片，采用pH＝2、固含量为5％的酸性TiO₂水溶胶，使用旋转涂覆法涂覆2次，再用旋转涂覆法涂覆固含量为2％、pH＝10的纳米TiO₂/SiO₂(质量比：0.5∶1)混合水溶胶层4次和固含量为3％的碱性SiO₂层5次。旋涂速度均为6000rpm，匀胶时间：60s。所得涂覆三层减反膜的硅片的平均反射率为5％，如附图2。

实施例3

取多晶硅片，采用pH＝3、固含量为1％的酸性TiO₂水溶胶，使用旋转涂覆法涂覆5次，再用旋转涂覆法涂覆固含量为5％、pH＝9的纳米TiO₂/SiO₂(质量比：3∶1)混合水溶胶层3次和固含量为4％的碱性SiO₂层4次。旋涂速度均为5000rpm，匀胶时间：60s。所得涂覆三层减反膜的硅片的平均反射率为5.4％，如附图3。

Claims

1.一种晶硅太阳能电池三层减反射膜，其特征在于：减反射膜由酸性纳米TiO₂水溶胶、碱性纳米TiO₂水溶胶和碱性纳米SiO₂水溶胶的混和溶胶及碱性纳米SiO₂水溶胶按TiO₂、TiO₂/SiO₂和SiO₂顺序涂覆成三层薄膜构成。

2.根据权利要求1所述的酸性纳米TiO₂水溶胶，其TiO₂的固含量的范围为0.5～5％，纳米TiO₂的颗粒尺寸为5～50nm，水溶胶的pH值范围为2～5。

3.根据权利要求1所述的碱性纳米TiO₂水溶胶，其TiO₂的固含量的范围为0.5～5％，纳米TiO₂的颗粒尺寸为5～20nm，水溶胶的pH值范围为7～10。

4.根据权利要求1所述的碱性纳米SiO₂水溶胶，其SiO₂的固含量的范围为0.5～5％，纳米SiO₂的颗粒尺寸为5～30nm，水溶胶的pH值范围为8～10。

5.根据权利要求1所述的混合水溶胶，是由权利3和4所述的碱性纳米TiO₂和SiO₂水溶胶按照TiO₂∶SiO₂重量比为0.3～3∶1的比例混合而成。

6.根据权利要求1所述的三层减反射膜，其中TiO₂、TiO₂/SiO₂和SiO₂薄膜的厚度分别为60～130nm、70～150nm和80～170nm。